(57)【要約】【課題】ディーゼル機関１０の排気系の温度が低くなる低温時において、ＮＯｘ浄化率が低下すること。【解決手段】排気温センサ２６の検出値に基づく排気温度から尿素水の添加領域であるか否かを判断する。そして、尿素水の添加領域であると判断された場合、排気温度が所定の低温以下であるか否かを判断する。排気温度が所定の低温以下であると判断された場合、排気温度の低下が顕著とならないよう流量制御弁４４を操作することで希釈用水溶液添加量を調節する。こうして調節された希釈用水溶液で尿素水を希釈し、これを尿素水添加弁２５から添加する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられて且つ排気中の窒素酸化物を浄化する浄化手段と、前記浄化手段の上流側の排気中に還元剤を添加する添加手段とを備える排気浄化装置に適用され、前記添加手段の操作に基づき前記還元剤の添加量を調節しつつ前記浄化手段による窒素酸化物の浄化制御を行う内燃機関の排気浄化制御装置において、
前記排気浄化装置は、前記排気中に添加される還元剤の水分量を増大する水分量増大手段を備えるものであり、
前記内燃機関の排気系の温度と相関を有するパラメータの値を取得する取得手段と、
前記取得されるパラメータの値に基づき前記排気系の温度が低いと判断された場合、前記水分量増大手段を操作することで前記添加される還元剤の水分量を増大させる増大操作手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項２】
前記増大操作手段は、前記還元剤の要求添加量が所定量以上となる場合にも、前記添加される還元剤の水分量を増大させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項３】
前記内燃機関の排気系の温度と相関を有するパラメータは、排気温度、前記窒素酸化物の浄化率、前記浄化手段の温度、機関回転速度、前記内燃機関に供給される燃料量、前記内燃機関に供給される吸気量、前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部を該内燃機関の吸気通路へ再循環させる量と前記吸気量との割合、前記内燃機関に供給される吸気の過給圧のうち少なくとも１つ以上のパラメータであることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項４】
前記増大操作手段は、前記排気系の温度が所定温度以上となるように前記添加される還元剤の水分量の増大量を調節することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項５】
前記増大操作手段は、前記排気系の温度が前記所定温度を下回る場合、前記水分量の増大量を減少させることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項６】
前記内燃機関から前記排気通路に排出される排気中の水分量に関する情報を取得する水分量取得手段を備え、
前記増大操作手段は、前記取得される情報に基づき前記排気中の水分量が所定量以下であると判断された場合、前記添加される還元剤の水分量を増大させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項７】
内燃機関の排気通路に設けられて且つ排気中の窒素酸化物を浄化する浄化手段と、前記浄化手段の上流側の排気中に還元剤を添加する添加手段とを備える排気浄化装置に適用され、前記添加手段の操作に基づき前記還元剤の添加量を調節しつつ前記浄化手段による窒素酸化物の浄化制御を行う内燃機関の排気浄化制御装置において、
前記排気浄化装置は、前記排気中に添加される還元剤の水分量を増大する水分量増大手段を備えるものであり、
前記還元剤の要求添加量が所定量以上となる場合に、前記水分量増大手段を操作することで前記添加される還元剤の水分量を増大させる増大操作手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項８】
内燃機関の排気通路に設けられて且つ排気中の窒素酸化物を浄化する浄化手段と、前記浄化手段の上流側の排気中に還元剤を添加する添加手段とを備える排気浄化装置に適用され、前記添加手段の操作に基づき前記還元剤の添加量を調節しつつ前記浄化手段による窒素酸化物の浄化制御を行う内燃機関の排気浄化制御装置において、
前記排気浄化装置は、前記排気中に添加される還元剤の水分量を増大する水分量増大手段を備えるものであり、
前記内燃機関から前記排気通路に排出される排気中の水分量に関する情報を取得する水分量取得手段を備え、
前記取得される情報に基づき前記排気中の水分量が所定量以下であると判断された場合、前記水分量増大手段を操作することで前記添加される還元剤の水分量を増大させる増大操作手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項９】
前記増大操作手段は、前記還元剤の要求添加量が多いほど前記還元剤の水分量の増大量を多くすることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項１０】
内燃機関の排気通路に設けられて且つ排気中の窒素酸化物を浄化する浄化手段と、前記浄化手段の上流側の排気中に還元剤を添加する添加手段とを備える排気浄化装置に適用され、前記添加手段の操作に基づき前記還元剤の添加量を調節しつつ前記浄化手段による窒素酸化物の浄化制御を行う内燃機関の排気浄化制御装置において、
前記排気浄化装置は、前記排気中に添加される還元剤の水分量を増大する水分量増大手段を備えるものであり、
前記還元剤の要求添加量が多いほど前記添加される還元剤の水分量の増大量を多くするように前記水分量増大手段を操作する増大操作手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項１１】
前記内燃機関の出力軸には、有段変速装置が接続されることを特徴とする請求項２又は７記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項１２】
前記水分量増大手段は、前記還元剤の水分量を増大するための水溶液を貯蔵する貯蔵手段を備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項１３】
前記水分量増大手段は、前記浄化手段の上流側の排気中に水分を添加することで前記還元剤の水分量を増大することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項１４】
前記還元剤の水分量の増大に用いる水分には、該水分の凝固点を低下させる添加剤が添加されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項１５】
前記水分量増大手段は、前記内燃機関から前記排気通路に排出される排気の一部を前記内燃機関の吸気通路へ再循環させる排気還流手段、前記内燃機関に供給される吸気を過給する過給手段及び前記内燃機関に燃料を供給する燃料供給手段のうち少なくとも１つを備えて構成されるものであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化制御装置と、
前記排気浄化装置とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に設けられて且つ排気中の窒素酸化物を浄化する浄化手段と、前記浄化手段の上流側の排気中に還元剤を添加する添加手段とを備える排気浄化装置に適用され、前記添加手段の操作に基づき前記還元剤の添加量を調節しつつ前記浄化手段による窒素酸化物の浄化制御を行う内燃機関の排気浄化制御装置、及び排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車載内燃機関（特にディーゼル機関）において、還元剤として尿素水を用いて排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を選択的に浄化する選択還元型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）を採用した排気浄化システム（尿素ＳＣＲシステム）の開発が進められており、一部実用化に至っている。尿素ＳＣＲシステムでは、機関本体に接続された排気管に選択還元型のＮＯｘ触媒が設けられるとともに、その上流側に、ＮＯｘ還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気管内に添加する尿素水添加弁が設けられている。
【０００３】
上記システムにおいては、尿素水添加弁により排気管内に尿素水が添加されることで、ＮＯｘ触媒上で排気中のＮＯｘが選択的に還元除去される。すなわち、尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ３）が生成され、そのアンモニアがＮＯｘ触媒に吸着されるととともに同ＮＯｘ触媒上にてアンモニアによる還元反応が行われることによってＮＯｘが還元、浄化される。
【０００４】
なお、従来の排気浄化システムとしては、他にも例えば下記特許文献１に記載されているものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５７１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、内燃機関の排気系の温度が低くなる低温時においては、ＮＯｘ浄化率が低下するおそれがある。これは、ＮＯｘ触媒が低温となることでアンモニアによる還元反応が促進されなかったり、尿素水の加水分解効率が低下することでアンモニア生成量が減少したりすることによるものである。
【０００７】
また、車載内燃機関のＮＯｘ排出量の増大が顕著となる場合にあっては、ＮＯｘ触媒上において上記還元反応に要求されるアンモニア量が不足することによってＮＯｘ浄化率が低下するおそれがある。
【０００８】
このように、ＮＯｘ浄化率を向上させることについては、未だ改善の余地を残すものとなっている。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、浄化手段の上流側の排気中に還元剤を添加する添加手段を操作することで浄化手段による窒素酸化物の浄化制御を行うものにあって、窒素酸化物の浄化率を好適に向上させることのできる内燃機関の排気浄化制御装置、及びこれを備える排気浄化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
【００１１】
請求項１記載の発明は、内燃機関の排気通路に設けられて且つ排気中の窒素酸化物を浄化する浄化手段と、前記浄化手段の上流側の排気中に還元剤を添加する添加手段とを備える排気浄化装置に適用され、前記添加手段の操作に基づき前記還元剤の添加量を調節しつつ前記浄化手段による窒素酸化物の浄化制御を行う内燃機関の排気浄化制御装置において、前記排気浄化装置は、前記排気中に添加される還元剤の水分量を増大する水分量増大手段を備えるものであり、前記内燃機関の排気系の温度と相関を有するパラメータの値を取得する取得手段と、前記取得されるパラメータの値に基づき前記排気系の温度が低いと判断された場合、前記水分量増大手段を操作することで前記添加される還元剤の水分量を増大させる増大操作手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
排気系の温度が低くなる低温時においては、窒素酸化物の浄化率が低下する。ただし、本発明者らは、窒素酸化物の浄化率が低下する低温時において、排気中に添加される還元剤の水分量を増大させることによって窒素酸化物の浄化率が向上することを見出した。これは、還元剤の水分量を増大させることで、低温時においても還元物質の生成が促進され、窒素酸化物の浄化速度が上昇しているためであると推定される。
【００１３】
上記発明では、この点に鑑み、取得手段により取得される上記パラメータの値に基づき排気系の温度が低いと判断された場合、水分量増大手段を操作することで排気中に添加される還元剤の水分量を増大させる。これにより、低温時における窒素酸化物の浄化率を好適に向上させることができる。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記増大操作手段は、前記還元剤の要求添加量が所定量以上となる場合にも、前記添加される還元剤の水分量を増大させることを特徴とする。
【００１５】
浄化手段への窒素酸化物の供給量が増大する場合、窒素酸化物の浄化に要求される還元物質の生成量が不足することで、窒素酸化物の浄化率が低下するおそれがある。特に、窒素酸化物の供給量とともに同供給量の増加速度が増大する場合は、窒素酸化物の浄化率の低下が顕著となるおそれがある。ここで、還元物質の生成量が不足する事態を回避するうえでは、還元剤の添加量を増量することも考えられる。しかし、還元剤の添加量のみを増量すると、窒素酸化物と反応しきれずに余剰となった還元物質が浄化手段下流に流出することで、排気特性を悪化させるおそれがある。この点、上記発明では、還元剤の添加量が所定量以上となる場合に還元剤の水分量を増大させる。これにより、還元物質の生成を促進することができ、ひいては窒素酸化物の浄化率を好適に向上させることができる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記内燃機関の排気系の温度と相関を有するパラメータは、排気温度、前記窒素酸化物の浄化率、前記浄化手段の温度、機関回転速度、前記内燃機関に供給される燃料量、前記内燃機関に供給される吸気量、前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部を該内燃機関の吸気通路へ再循環させる量と前記吸気量との割合、前記内燃機関に供給される吸気の過給圧のうち少なくとも１つ以上のパラメータであることを特徴とする。
【００１７】
上記発明では、上記少なくとも１つ以上のパラメータを用いることで、窒素酸化物を浄化すべく還元剤の水分量を増大させる状況を適切に特定することができる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記排気系の温度が所定温度以上となるように前記添加される還元剤の水分量の増大量を調節することを特徴とする。
【００１９】
排気中に添加される還元剤の水分量を過度に増大させると、浄化手段の温度が低下し、窒素酸化物の浄化率を低下させるおそれがある。この点、上記発明では、浄化手段と相関を有する排気系の温度が所定温度以上となるように還元剤の水分量の増大量を調節することで、浄化手段の温度低下が顕著となる事態を回避することができ、ひいては低温時における窒素酸化物の浄化率をより好適に向上させることができる。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記増大操作手段は、前記排気系の温度が前記所定温度を下回る場合、前記水分量の増大量を減少させることを特徴とする。
【００２１】
上記発明では、浄化手段と相関を有する排気系の温度が所定温度を下回る場合であっても、還元剤の水分量の増大量を減少させることで、浄化手段の温度低下が顕著となる事態が継続するのを回避することができ、ひいては低温時における窒素酸化物の浄化率をより好適に向上させることができる。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、前記内燃機関から前記排気通路に排出される排気中の水分量に関する情報を取得する水分量取得手段を備え、前記増大操作手段は、前記取得される情報に基づき前記排気中の水分量が所定量以下であると判断された場合、前記添加される還元剤の水分量を増大させることを特徴とする。
【００２３】
排気系の温度が低い状況下、還元剤の水分量を増大させることで、窒素酸化物の浄化率が向上することが本発明者らによって見出された。ここで、排気系の温度が低い状況下において排気中の水分量が少ないことに鑑みれば、同水分量が少ないことが還元剤の添加による窒素酸化物の浄化率の低下の一因であり、同水分量を増大させることで窒素酸化物の浄化率を向上させることができると考えられる。上記発明では、水分量取得手段により取得される上記水分量に関する情報に基づき排気系の温度が低い状況下である排気中の水分量が所定量以下であると判断された場合に還元剤の水分量を増大させることで、還元物質の生成を促進し、窒素酸化物の浄化率を好適に向上させることができる。
【００２４】
請求項７記載の発明は、内燃機関の排気通路に設けられて且つ排気中の窒素酸化物を浄化する浄化手段と、前記浄化手段の上流側の排気中に還元剤を添加する添加手段とを備える排気浄化装置に適用され、前記添加手段の操作に基づき前記還元剤の添加量を調節しつつ前記浄化手段による窒素酸化物の浄化制御を行う内燃機関の排気浄化制御装置において、前記排気浄化装置は、前記排気中に添加される還元剤の水分量を増大する水分量増大手段を備えるものであり、前記還元剤の要求添加量が所定量以上となる場合に、前記水分量増大手段を操作することで前記添加される還元剤の水分量を増大させる増大操作手段を備えることを特徴とする。
【００２５】
浄化手段への窒素酸化物の供給量が増大する場合、窒素酸化物の浄化に要求される還元物質の生成量が不足することで、窒素酸化物の浄化率が低下するおそれがある。特に、窒素酸化物の供給量とともに同供給量の増加速度が増大する場合は、窒素酸化物の浄化率の低下が顕著となるおそれがある。ここで、還元物質の生成量が不足する事態を回避するうえでは、還元剤の添加量を増量することも考えられる。しかし、還元剤の添加量のみを増量すると、窒素酸化物と反応しきれずに余剰となった還元物質が浄化手段下流に流出することで、排気特性を悪化させるおそれがある。ただし、本発明者らは、窒素酸化物の浄化率が低下する状況下において、排気中に添加される還元剤の水分量を増大させることによって窒素酸化物の浄化率が向上することを見出した。これは、還元剤の水分量を増大させることで、還元物質の生成が促進され、窒素酸化物の浄化速度が上昇しているためであると推定される。
【００２６】
上記発明では、上記知見に基づき、還元剤の添加量が所定量以上となる場合に還元剤の水分量を増大させる。これにより、還元物質の生成を促進することができ、ひいては窒素酸化物の浄化率を好適に向上させることができる。
【００２７】
請求項８記載の発明は、内燃機関の排気通路に設けられて且つ排気中の窒素酸化物を浄化する浄化手段と、前記浄化手段の上流側の排気中に還元剤を添加する添加手段とを備える排気浄化装置に適用され、前記添加手段の操作に基づき前記還元剤の添加量を調節しつつ前記浄化手段による窒素酸化物の浄化制御を行う内燃機関の排気浄化制御装置において、前記排気浄化装置は、前記排気中に添加される還元剤の水分量を増大する水分量増大手段を備えるものであり、前記内燃機関から前記排気通路に排出される排気中の水分量に関する情報を取得する水分量取得手段を備え、前記取得される情報に基づき前記排気中の水分量が所定量以下であると判断された場合、前記水分量増大手段を操作することで前記添加される還元剤の水分量を増大させる増大操作手段を備えることを特徴とする。
【００２８】
排気温度が低い状況下、還元剤の水分量を増量することで、窒素酸化物の浄化率が向上することが本発明者らによって見出された。ここで、排気温度が低い状況下において排気中の水分量が少ないことに鑑みれば、同水分量が少ないことが還元剤の添加による窒素酸化物の浄化率の低下の一因であり、同水分量を増加させることで窒素酸化物の浄化率を向上させることができると考えられる。上記発明では、水分量取得手段により取得される上記水分量に関する情報に基づき排気系の温度が低い状況下である排気中の水分量が所定量以下となると判断された場合に還元剤の水分量を増大させることで、還元物質の生成を促進し、窒素酸化物の浄化率を好適に向上させることができる。
【００２９】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発明において、前記増大操作手段は、前記還元剤の要求添加量が多いほど前記還元剤の水分量の増大量を多くすることを特徴とする。
【００３０】
上記発明では、還元剤の要求添加量が多いほど還元剤の水分量の増大量を増大させるため、還元剤の要求添加量にかかわらず上記増大量を適切な量とすることができる。
【００３１】
請求項１０記載の発明は、内燃機関の排気通路に設けられて且つ排気中の窒素酸化物を浄化する浄化手段と、前記浄化手段の上流側の排気中に還元剤を添加する添加手段とを備える排気浄化装置に適用され、前記添加手段の操作に基づき前記還元剤の添加量を調節しつつ前記浄化手段による窒素酸化物の浄化制御を行う内燃機関の排気浄化制御装置において、前記排気浄化装置は、前記排気中に添加される還元剤の水分量を増大する水分量増大手段を備えるものであり、前記還元剤の要求添加量が多いほど前記添加される還元剤の水分量の増大量を多くするように前記水分量増大手段を操作する増大操作手段を備えることを特徴とする。
【００３２】
本発明者らは、窒素酸化物の浄化率が低下する状況下において、排気中に添加される還元剤の水分量を増大させることによって窒素酸化物の浄化率が向上することを見出した。これは、還元剤の水分量を増大させることで、還元物質の生成が促進され、窒素酸化物の浄化速度が上昇しているためと推定される。
【００３３】
上記発明では、上記知見に基づき、還元剤の要求添加量が多いほど還元剤の水分量の増大量を増大させるため、還元剤の要求添加量にかかわらず上記増大量を適切な量とすることができ、ひいては窒素酸化物の浄化率を好適に向上させることができる。
【００３４】
請求項１１記載の発明は、請求項２又は７記載の発明において、前記内燃機関の出力軸には、有段変速装置が接続されることを特徴とする。
【００３５】
内燃機関の要求トルク増大時においては、有段変速装置の変速操作によって機関回転速度の上昇速度が増大する頻度が高くなったり、この増加速度が上昇する頻度が高くなったりするおそれがある。そしてこうした場合、窒素酸化物の浄化に要求される還元物質の量が増大する傾向がある。このため、還元物質の生成量が不足することで、窒素酸化物の浄化速度が低下し、窒素酸化物の浄化率が低下するおそれがある。このため、有段変速装置を備えるものを対象とした上記発明は、増大操作手段を備えるメリットが大きい。
【００３６】
請求項１２記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発明において、前記水分量増大手段は、前記還元剤の水分量を増大するための水溶液を貯蔵する貯蔵手段を備えることを特徴とする。
【００３７】
上記発明では、還元剤の水分量を増大させるための水溶液を貯蔵することができる。
【００３８】
請求項１３記載の発明は、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発明において、前記水分量増大手段は、前記浄化手段の上流側の排気中に水分を添加することで前記還元剤の水分量を増大することを特徴とする。
【００３９】
本発明者らは、排気中に添加する還元剤に対する水分量の増大度合いにより窒素酸化物の浄化率が変化することを見出した。このため、窒素酸化物の浄化率を高いものとするためには、上記水分量の増大度合いを適切なものとする必要がある。しかしながら、例えば予め水分量を増大させた還元剤を添加手段から添加する場合、以前に増大させた水分量が影響し、想定する水分量の増大度合いからずれるおそれがある。この点、上記発明では、還元剤と水分とをそれぞれ直接排気中に添加することができるため、還元剤の水分量の増大度合いを高精度に調節することができる。
【００４０】
請求項１４記載の発明は、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の発明において、前記還元剤の水分量の増大に用いる水分には、該水分の凝固点を低下させる添加剤が添加されていることを特徴とする。
【００４１】
上記発明では、低温状態における水分の凍結により還元剤の水分量を増大させることができなくなる事態を極力回避することができる。
【００４２】
請求項１５記載の発明は、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の発明において、前記水分量増大手段は、前記内燃機関から前記排気通路に排出される排気の一部を前記内燃機関の吸気通路へ再循環させる排気還流手段、前記内燃機関に供給される吸気を過給する過給手段及び前記内燃機関に燃料を供給する燃料供給手段のうち少なくとも１つを備えて構成されるものであることを特徴とする。
【００４３】
上記発明では、排気還流手段、過給手段及び燃料供給手段のうち少なくとも１つ以上を備えて水分量増大手段を構成する。
【００４４】
ここで、上記内燃機関から上記排気通路に排出される排気中の水分量に関する情報を取得する水分量取得手段を更に備え、上記取得される情報に基づき、上記排気中の水分量が所定量以上となるように上記排気還流手段、上記過給手段及び上記燃料供給手段のうち少なくとも１つ以上を操作するのが望ましい。
【００４５】
請求項１６記載の発明は、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化制御装置と、前記排気浄化装置とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システムである。
【００４６】
上記発明は、水分量増大手段や増大操作手段を備えるため、窒素酸化物の浄化制御を行ううえで信頼性の高いシステムを実現している。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】第１の実施形態にかかるシステム構成図。
【図２】同実施形態にかかる尿素水又はアンモニア水添加時のＮＯｘ排出量の推移の計測結果を示すタイムチャート。
【図３】同実施形態にかかる水溶液添加時のＮＯｘ排出量の推移の計測結果を示すタイムチャート。
【図４】同実施形態にかかる水溶液添加の有無によるＮＯｘ浄化率の計測結果を示す図。
【図５】同実施形態にかかる希釈尿素水添加制御時における排気温度の目標値を示す図。
【図６】同実施形態にかかる希釈尿素水添加制御の手順を示すフローチャート。
【図７】同実施形態にかかる加速時希釈尿素水添加制御の処理態様を示すタイムチャート。
【図８】第２の実施形態にかかるシステム構成図。
【図９】同実施形態にかかる水溶液添加制御の手順を示すフローチャート。
【図１０】第３の実施形態にかかるシステム構成図。
【図１１】同実施形態にかかる排気中水分量調節制御の手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化制御装置の第１の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００４９】
ディーゼル機関１０は、レシプロエンジン構造を有する内燃機関である。ディーゼル機関１０の燃焼室において吸気及び燃料が燃焼に供される。この燃焼によって生成されるエネルギは、クランク軸１２の回転エネルギとして取り出される。クランク軸１２の回転エネルギは、マニュアルトランスミッション（以下、ＭＴ１４）に伝達される。ちなみに、クランク軸１２付近には、その回転角度を検出するクランク角度センサ１６が設けられている。
【００５０】
ディーゼル機関１０の燃焼室において燃焼に供された吸気及び燃料は、排気として排気通路１８に排出される。排気通路１８には、後処理装置が設けられている。後処理装置は、排気通路１８の上流側から順に、酸化触媒２０、尿素選択還元型触媒（以下、尿素ＳＣＲ２２) 及びアンモニアスリップ触媒２３を備えて構成される。ここで、アンモニアスリップ触媒２３は、尿素ＳＣＲ２２においてＮＯｘと反応しきれずに余剰となったアンモニアが尿素ＳＣＲ２２の下流に流出する場合にこれを除去するためのものであり、例えば酸化触媒にて構成されている。また、後処理装置は、更に、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を備えているが、これについては、酸化触媒２０と一体とされるものとしてもよいし、また、その下流に備えられるものとしてもよい。
【００５１】
酸化触媒２０と尿素ＳＣＲ２２との間には、排気通路１８の上流側から順に、排気中のＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサ２４と、同排気通路１８の下流側に噴射口を向けた尿素水添加弁２５と、排気温度を検出する排気温センサ２６とが設けられている。また、尿素ＳＣＲ２２の下流側にも、排気中のＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサ２８が設けられている。
【００５２】
尿素水添加弁２５は、尿素水タンク３２から供給される尿素水を排気通路１８内に噴射することで、尿素水を排気に添加する電子制御式の弁体である。尿素水タンク３２は、給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定濃度（例えば３２．５％）の尿素水が貯蔵されている。尿素水タンク３２は、尿素水配管３４を介して尿素水添加弁２５に接続されており、尿素水配管３４の途中には、尿素水タンク３２内の尿素水を汲み上げ尿素水添加弁２５に加圧供給(圧送)する電子制御式の尿素水ポンプ３６が設けられている。ちなみに、尿素水の上記所定濃度は、低温時における尿素水の凍結防止のため、尿素水の凝固点が最も低くなるような濃度とされている。
【００５３】
また、尿素水配管３４のうち尿素水添加弁２５と尿素水ポンプ３６との間には水溶液配管３８が接続されており、この配管を介して後述する希釈尿素水添加制御に用いられる水溶液タンク４０が接続されている。水溶液タンク４０は、尿素水タンク３２と同様に、給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に尿素水の希釈に用いられる水溶液（希釈用水溶液）が貯蔵されている。水溶液配管３８の途中には、水溶液タンク４０側から順に水溶液ポンプ４２と流量制御弁４４とが設けられている。水溶液ポンプ４２は、尿素水ポンプ３６と同様に、水溶液タンク４０内の希釈用水溶液を汲み上げ尿素水添加弁２５に圧送する電子制御式のポンプである。また、流量制御弁４４は、電子制御式の弁体であり、その開度を調節することで、尿素水の希釈比（希釈用水溶液添加量／尿素水添加量）を所望に調節可能とするものである。ちなみに、希釈用水溶液としては、凍結防止用の添加剤を添加した水（不凍液等）を想定している。
【００５４】
上記尿素ＳＣＲ２２や尿素水添加弁２５等を備えて構成される尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水添加弁２５により排気通路１８内に尿素水を添加供給することで、排気通路１８内において排気と共に尿素水が尿素ＳＣＲ２２に供給される。これにより、尿素ＳＣＲ２２においては、ＮＯｘの還元反応が行われることによってその排気が浄化される。
【００５５】
詳しくは、尿素水添加弁２５から噴射された尿素水が排気熱で加水分解され、その際、下記の式（ｃ１）にて表現される化学反応にて、還元物質としてのアンモニア（ＮＨ３）が生成される。
【００５６】
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２    …（ｃ１）
そして、尿素ＳＣＲ２２を排気が通過する際、アンモニアによって排気中のＮＯｘが選択的に還元浄化される。詳しくは、以下の式（ｃ２）〜（ｃ４）に示すような還元反応が行われることによって、ＮＯｘが還元浄化されることになる。
【００５７】
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ    …（ｃ２）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ    …（ｃ３）
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ    …（ｃ４）
電子制御装置（ＥＣＵ４６）は、ディーゼル機関１０の燃焼制御等に必要な各種アクチュエータを操作する制御装置である。ＥＣＵ４６は、ユーザのアクセル操作量を検出するためのアクセルセンサ４８や車両の走行速度を検出する車速センサ５０、クランク角度センサ１６の検出信号、更にはＭＴ１４の操作状態等を逐次入力し、これらに基づきディーゼル機関１０の排気特性等を制御する。
【００５８】
特にＥＣＵ４６は、尿素ＳＣＲ２２によるＮＯｘの浄化制御を行うべく、尿素水添加弁２５や尿素水ポンプ３６、水溶液ポンプ４２、流量制御弁４４を操作する。ここではまず、クランク角度センサ１６の検出値に基づく機関回転速度とディーゼル機関１０の燃料噴射量とに基づき、ディーゼル機関１０のＮＯｘ排出量を算出する。そして、同ＮＯｘ排出量から尿素水添加量（要求尿素量）を算出し、算出された尿素水添加量に基づき尿素水添加弁２５に対して所定周期の開弁指令パルスを出力する。このパルス出力に伴って尿素水添加弁２５の駆動部（ソレノイド部）に駆動電流が流れることで、尿素水添加弁２５が開弁され、尿素水が添加（噴射）される。これにより、ＮＯｘ浄化率を高く維持することができる。ちなみに、ＮＯｘ浄化率とは、尿素ＳＣＲ２２の上流側ＮＯｘセンサ２４の検出値に基づく上流側のＮＯｘ濃度と下流側ＮＯｘセンサ２８の検出値に基づく下流側のＮＯｘ濃度との差を、上流側のＮＯｘ濃度によって除算した値にて定量化されるものである。
【００５９】
ところで、ディーゼル機関１０の排気系の温度が低い低温時（例えば、排気温度が「１７０〜２００℃」）においては、尿素ＳＣＲ２２によるＮＯｘ浄化率が低下する。これは、尿素ＳＣＲ２２が低温となることでＮＯｘの還元反応が促進されなかったり、尿素水の加水分解効率が低下したりすることによるものと考えられる。これは、次に説明する図２〜図５に示す計測結果に基づくものである。
【００６０】
図２に、尿素水添加弁２５から尿素水又はアンモニア水を添加した場合における尿素ＳＣＲ２２下流側のＮＯｘ排出量の推移を示す。詳しくは、図２は、ディーゼル機関１０のＮＯｘ排出量が一定で且つ尿素水添加弁２５の上流側の排気温度が一定（例えば、「１８０℃」）である場合におけるＮＯｘ排出量の推移の計測結果である。図示されるように、尿素水又はアンモニア水の添加開始後における尿素ＳＣＲ２２下流側のＮＯｘ排出量の減少速度は、尿素水を添加した場合（図中実線）よりもアンモニア水を添加した場合（図中点線）のほうが高くなる。更に、最終的なＮＯｘ排出量は、尿素水を添加した場合よりもアンモニア水を添加した場合のほうが減少している。ここで、排気温度が高くなると、このようなＮＯｘ排出量の推移の差が縮まる傾向を示すことも本発明者らによって確認されている。このことから、低温時においては尿素水の加水分解反応が促進されず、アンモニア生成量が減少し、ＮＯｘの浄化度合いが低下していると推定される。
【００６１】
ただし、本発明者らは、ＮＯｘ浄化率が低下する低温時において、希釈用水溶液で希釈した尿素水（希釈尿素水）を添加することで、ＮＯｘ浄化率が向上することを見出した。図３に、尿素水のみ又は希釈尿素水を添加した場合における尿素ＳＣＲ２２下流側のＮＯｘ排出量の推移を示す。詳しくは、図３は、ディーゼル機関１０のＮＯｘ排出量及び尿素水添加弁２５の上流側の排気温度が先の図２における試験条件と同様の場合において、尿素水の希釈比を変更したものを添加した場合におけるＮＯｘ排出量の推移の計測結果である。詳しくは、図中実線は、上記所定濃度の尿素水を所定量添加した場合におけるＮＯｘ排出量の推移を示す。また、図中点線は、上記所定濃度且つ所定量の尿素水をこれと同量の希釈用水溶液にて希釈した（希釈比１倍）希釈尿素水を添加した場合におけるＮＯｘ排出量の推移を示す。更に、図中鎖線は、上記所定濃度且つ所定量の尿素水をその2倍の希釈用水溶液にて希釈した（希釈比２倍）希釈尿素水を添加した場合におけるＮＯｘ排出量の推移を示す。
【００６２】
図示されるように、尿素水のみ又は希釈尿素水の添加開始後における尿素ＳＣＲ２２下流側のＮＯｘ排出量の減少速度は、尿素水のみを添加した場合よりも希釈尿素水を添加した場合のほうが高くなる。そして、最終的なＮＯｘ排出量は、尿素水のみを添加した場合よりも希釈尿素水を添加した場合のほうが減少している。これは、尿素水とともに希釈用水溶液を添加することで、排気熱で蒸発し未だ加水分解されていない尿素ＳＣＲ２２上の尿素が水と接触する頻度が高くなり、低温時においても加水分解反応が促進され、ＮＯｘの浄化速度が上昇しているためであると推定される。
【００６３】
更に、希釈比２倍の希釈尿素水を添加した場合におけるＮＯｘ排出量は、尿素水のみを添加した場合よりも減少しているものの、希釈比１倍の希釈尿素水を添加した場合よりも増加している。これは、希釈比が大きいと、希釈用水溶液蒸発時の気化熱により排気の熱が奪われることで排気温度が低下し、尿素ＳＣＲ２２の温度が低下することで、ＮＯｘの還元反応が促進されなくなることによるものである。
【００６４】
図４に、先の図３に示した計測結果に対応するＮＯｘ浄化率を示す。ちなみに、図中、希釈比が「０」とは尿素水のみを添加した場合を示す。図示されるように、希釈比１倍及び２倍の希釈尿素水を添加した場合におけるＮＯｘ浄化率は、尿素水のみを添加した場合におけるものよりも向上するものの、希釈比２倍の希釈尿素水のＮＯｘ浄化率は、希釈比１倍の希釈尿素水のものよりも低下している。これは、上述したように排気温度の低下に起因して尿素ＳＣＲ２２の温度が低下することによるものである。ここで、図５に、先の図３に示した試験において、希釈比と尿素ＳＣＲ２２に流入する排気の温度との関係についての計測結果を示す。図示されるように、希釈比が大きくなると、尿素ＳＣＲ２２へ流入する排気の温度が低下していることが確認できる。
【００６５】
これらの計測結果から、本発明者らは、希釈尿素水を添加することで尿素水の加水分解反応を促進しつつも、尿素ＳＣＲ２２の温度低下が顕著とならないように希釈用水溶液の添加量を調節することでＮＯｘ浄化率を向上させることができるとの知見を得た。
【００６６】
そこで本実施形態では、上記知見に鑑み、希釈尿素水の添加処理を行うことで低温時におけるＮＯｘ浄化率の向上を図る。詳しくは、尿素ＳＣＲ２２に流入する排気の温度をＮＯｘ浄化率が向上する温度域（水溶液添加時制御目標温度範囲）になるように希釈用水溶液添加量を調節することで、ＮＯｘ浄化率の向上を図る。
【００６７】
図６に、本実施形態にかかる希釈尿素水の添加によるＮＯｘ浄化処理の手順を示す。この処理は、ＥＣＵ４６によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。
【００６８】
この一連の処理では、まずステップＳ１０において、ディーゼル機関１０の現在の運転領域が、尿素水の添加処理を行う領域であるか否かを判断する。ここで、尿素水の添加処理を行う領域は、例えば尿素ＳＣＲ２２の温度が活性状態となる温度（例えば、１７０℃）以上の領域とすればよい。
【００６９】
ステップＳ１０において尿素水の添加処理を行う領域であると判断された場合には、ステップＳ１２に進み、尿素水添加量を算出する。続くステップＳ１４においては、加速時であるか否かを判断する。この処理は、ディーゼル機関１０の要求トルクが増大することに起因して、ディーゼル機関１０のＮＯｘ排出量が増大する状況であるか否かを判断するためのものである。ここで、本実施形態では、アクセルセンサ４８の検出値に基づきユーザのアクセル操作量の増加速度が所定以上となる場合、加速時であると判断する。
【００７０】
ステップＳ１４において加速時でないと判断された場合には、ステップＳ１６に進み、排気温センサ２６の検出値に基づく排気温度Ｔが所定温度Ｔ１以下であるか否かを判断する。この処理は、尿素水の加水分解反応が促進されないことでアンモニア生成量が減少する状況にあるか否かを判断するためのものである。ここで、上記所定温度Ｔ１は、希釈尿素水を添加することでＮＯｘ浄化率の向上が見込める排気温度に設定される。例えば先の図２で示した尿素水を添加した場合のＮＯｘ排出量の推移とアンモニア水を添加した場合におけるＮＯｘ排出量の推移とに差が生じる最高排気温度（例えば、「２００℃」）に設定すればよい。
【００７１】
ステップＳ１６において排気温度Ｔが所定温度Ｔ１より高いと判断された場合には、ステップＳ１８に進み、上記ステップＳ１２の処理で算出された量の尿素水のみを尿素水添加弁２５から添加する。
【００７２】
一方、上記ステップＳ１６において排気温度Ｔが所定温度Ｔ１以下であると判断された場合には、ステップＳ２０に進み、尿素水を希釈するための希釈用水溶液の添加量を算出する。この処理は、尿素ＳＣＲ２２によるＮＯｘ浄化率を向上させるべく適切な希釈用水溶液添加量を算出するためのものである。ここで、本実施形態では、排気温度等をパラメータとして予め実験等で最適な希釈比を求めておき、この希釈比と尿素水添加量とに基づき希釈用水溶液添加量を算出する。具体的には、希釈比と尿素水添加量との乗算値を希釈用水溶液添加量とすればよい。ちなみに、こうした希釈用水溶液添加量の算出処理を簡易に行ううえでは、上記希釈比を整数に設定してもよい。
【００７３】
続くステップＳ２２では、排気温度Ｔが上記所定温度Ｔ１よりも低い温度である所定温度Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）以上であるか否かを判断する。この処理は、先の図５に示したように、ＮＯｘ浄化率を好適に向上させるべく、排気温度Ｔが上記制御目標温度範囲にあるか否かを判断するためのものである。ここで、上記所定温度Ｔ２は、ＮＯｘ浄化率が低下すると想定される温度領域において、希釈尿素水を添加することでＮＯｘ浄化率の向上が見込める温度領域の下限値（例えば、「１６０℃」）に基づき設定される。
【００７４】
ステップＳ２２において排気温度Ｔが上記制御目標温度範囲内にあると判断された場合には、ステップＳ２４へ進み、上記ステップＳ１２の処理で算出した量の尿素水が上記ステップＳ２０の処理で算出した量の希釈用水溶液で希釈された尿素水を尿素水添加弁２５から添加する。すなわち、尿素水添加弁２５の開弁に先立ち流量制御弁４４を操作することで上記最適な希釈比になるように尿素水を希釈し、尿素水添加弁２５を開弁することで希釈尿素水を排気中に添加する。
【００７５】
一方、上記ステップＳ２２において否定判断された場合には、ステップＳ２６に進み、希釈用水溶液添加量を減量補正する処理を行う。この処理は、希釈尿素水の希釈度合いが大きくなることで、排気温度Ｔの低下が顕著となり、ＮＯｘ浄化率が低下することを回避するためのものである。そして、ステップＳ２６の処理の完了後、上記ステップＳ２４に進み、上記減量された希釈用水溶液で希釈された尿素水を尿素水添加弁２５から添加する。
【００７６】
上記ステップＳ１４において加速時であると判断される場合には、ステップＳ２８に進み、加速時における希釈尿素水添加制御（加速時希釈尿素水添加制御）を行う。この処理は、ＮＯｘ排出量の増大が顕著となる場合、尿素ＳＣＲ２２上のアンモニア吸着量が不足することによってＮＯｘ浄化率が低下するのを回避するためのものである。すなわち、ディーゼル機関１０の要求トルクが増大する場合、ディーゼル機関１０のＮＯｘ排出量が顕著となり、この排出量に対してアンモニア吸着量が不足することで、ＮＯｘ浄化率が低下するおそれがある。特に、ＮＯｘ排出量の増加速度も顕著となる場合、尿素水を添加してもアンモニアの生成が間に合わず、ＮＯｘ浄化率の低下が顕著となるおそれがある。ここで、アンモニア吸着量が不足する事態を回避するうえでは、尿素水添加量のみを増量することも考えられる。しかし、尿素水添加量を増量すると、ＮＯｘと反応しきれずに余剰となったアンモニアが尿素ＳＣＲ２２下流に流出することで、排気特性を悪化させるおそれがある。
【００７７】
そこで本実施形態では、ＮＯｘ排出量やその増加速度が増大すると想定される加速時においても希釈尿素水を添加する。これにより、尿素水の加水分解反応を促進し、アンモニアの生成を促進させることで、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。ちなみに、希釈用水溶液添加量は、上記ステップＳ２０と同様の手法で算出すればよい。また、加速時希釈尿素水添加制御は、上記ステップＳ１６と同様に、希釈尿素水を添加することでＮＯｘ浄化率の向上が見込める排気温度域で行われるのが望ましい。
【００７８】
なお、上記ステップＳ１０で否定判断された場合や、ステップＳ１８，Ｓ２４，Ｓ２８の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。
【００７９】
図７に、本実施形態における加速時希釈尿素水添加制御の処理態様を示す。詳しくは、図７（ａ）に、車両の走行速度の推移を示し、図７（ｂ）に、機関回転速度の推移を示し、図７（ｃ）に、尿素水添加量の推移を示し、図７（ｄ）に、希釈用水溶液添加量の推移を示し、図７（ｅ）に、尿素ＳＣＲ２２の下流側のＮＯｘ排出量の推移を示す。
【００８０】
図に示す例では、時刻ｔ１以降、車両が加速状態となる。ここで、車両の加速状態において、加速に伴って機関回転速度が急上昇するものの、ユーザによるＭＴ１４の変速操作がなされることで（時刻ｔ２〜ｔ３、ｔ４〜ｔ５）、機関回転速度が低下する。ここで、ユーザによるＭＴ１４の変速操作がなされると、アクセル操作が解除され、燃料カット制御が行われる。このため、時刻ｔ１において、アクセル操作量の増加速度が所定以上となることで、先の図６に示したステップＳ１４の処理で肯定判断され、加速時希釈尿素水添加制御が開始されるものの、この加速時希釈尿素水添加制御は、上記燃料カット制御がなされる期間（時刻ｔ２〜ｔ３、ｔ４〜ｔ５）を除いて実施される。加速時尿素水添加制御が実施される際には、機関回転速度の急上昇等に起因して、尿素水添加量が急増するとともに、これを希釈すべく希釈用水溶液添加量も急増する。
【００８１】
ここで、図７（ｅ）には、希釈尿素水を添加した場合におけるＮＯｘ排出量の推移を実線で示すとともに、尿素水のみを添加した場合におけるＮＯｘ排出量の推移を一点鎖線で併記した。このように、希釈尿素水を添加することで、ＮＯｘ排出量をより好適に減少させることができる。ちなみに、時刻ｔ５〜ｔ６においても、アクセル操作がなされるが、アクセル操作量の増加速度が所定以上とならないため、加速時希釈尿素水添加制御が行われない。
【００８２】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
【００８３】
（１）尿素水の添加領域において排気温度Ｔが所定温度Ｔ１以下となる場合、排気温度Ｔが所定温度Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）以下とならないように希釈用水溶液添加量を調節しつつ、希釈尿素水を添加した。これにより、低温時において尿素水からアンモニアへの加水分解反応を促進させることができ、ひいては低温時におけるＮＯｘ浄化率をより好適に向上させることができる。
【００８４】
（２）加速時であると判断された場合、加速時希釈尿素水添加制御を行った。これにより、ＮＯｘ排出量やその増加速度が増大する場合であっても、アンモニアの生成を促進することができ、ひいては尿素水添加量を増大させることなくＮＯｘ浄化率を好適に向上させることができる。しかも、アンモニアの生成が促進されるため、すなわちアンモニアの生成速度を向上させることができるため、予めアンモニアを吸着させておくために要求される尿素ＳＣＲ２２の面積を小さくすることができる。すなわち、尿素ＳＣＲ２２の小型化が可能となる。
【００８５】
（３）尿素水添加量とは独立に設定される希釈比と尿素水添加量との乗算値を希釈用水溶液添加量とした。これにより、尿素水添加量にかかわらず適切な希釈比とすることができる。
【００８６】
（４）クランク軸１２に、有段変速装置（ＭＴ１４）が接続される構成とした。この場合、ディーゼル機関１０の要求トルクが増大する状況下にあっては、有段変速装置が変速操作されることで機関回転速度の上昇速度が増大する頻度が高くなったり、この上昇速度が大きくなったりしやすく、ＮＯｘ排出量やその増加速度が増大しやすい。このため、尿素水を希釈する処理の利用価値が特に大きい。
【００８７】
（５）凍結防止用の添加剤が添加されている希釈用水溶液を用いた。これにより、低温時における希釈用水溶液の凍結により尿素水を希釈することができなくなる事態を極力回避することができる。
【００８８】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００８９】
図８に、本実施形態にかかる排気浄化システムを示す。なお、図８において、先の図１に示した部材と同一又は対応する部材については、便宜上同一の符号を示している。図示されるように、本実施形態では、希釈用水溶液を排気通路１８に直接添加する添加弁（水溶液添加弁５２）を新たに設け、水溶液添加弁５２から希釈用水溶液を添加することで尿素水を希釈する。これは、尿素水の希釈比を精度よく調節できなくなる事態を回避するためのものである。すなわち、先の図１に示したように、希釈尿素水は、水溶液配管３８のうち流量制御弁４４の下流側や水溶液配管３８のうち尿素水配管３４の下流側によって形成される空間（デッドボリューム）に残留し得る。このため、機関運転状態等が変化することでＮＯｘ浄化率を向上させるための適切な希釈比が変更される場合、デッドボリュームに残留した希釈尿素水の影響を受けて、希釈比を高精度に調節することができず、ＮＯｘ浄化率が低下したりアンモニアスリップ量が増大したりする等、排気特性を適切に制御することができなくなるおそれがある。すなわち例えば、デッドボリュームに残留する希釈尿素水の希釈比が上記適切な希釈比よりも大きい場合、低温時においては尿素ＳＣＲ２２の温度変化に対するＮＯｘ浄化率の変化率が高いため、希釈比が大きい希釈尿素水を添加することで尿素ＳＣＲ２２の温度が低下し、ＮＯｘ浄化率の低下が顕著となるおそれがある。
【００９０】
こうした点に鑑み、尿素水添加弁２５に加えて水溶液添加弁５２を新たに設けて尿素水と希釈用水溶液とをそれぞれ排気通路１８に直接添加することで、希釈比を高精度に調節する。詳しくは、図示されるように、水溶液添加弁５２は、尿素水添加弁２５と排気温センサ２６との間において、排気通路１８の下流側に噴射口を向ける形で設けられている。水溶液添加弁５２は、電子制御式の弁体である。水溶液添加弁５２は、水溶液配管３８を介して水溶液タンク４０に接続されており、水溶液配管３８の途中には、水溶液ポンプ４２が設けられている。こうした構成によれば、水溶液添加弁５２を用いて、尿素水を希釈すべく水溶液タンク４０から供給される水溶液を排気通路１８内に添加（噴射）することができる。
【００９１】
ちなみに、尿素水添加弁２５には、尿素水ポンプ３６によって吸引され吐出される尿素水タンク３２内の尿素水が直接供給される。
【００９２】
ＥＣＵ４６は、尿素水添加弁２５や尿素水ポンプ３６、水溶液ポンプ４２に加えて水溶液添加弁５２を操作することで、尿素ＳＣＲ２２によるＮＯｘの浄化制御を行う。詳しくは、算出された尿素水添加量や希釈用水溶液添加量に基づき尿素水添加弁２５や水溶液添加弁５２に対して所定周期の開弁指令パルスを出力する。このパルス出力に伴って尿素水添加弁２５や水溶液添加弁５２のソレノイド部に駆動電流が流れることで、尿素水添加弁２５や水溶液添加弁５２が開弁され、尿素水や希釈用水溶液が添加される。
【００９３】
図９に、本実施形態にかかる尿素水及び希釈用水溶液の添加によるＮＯｘ浄化処理の手順を示す。この処理は、ＥＣＵ４６によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図９において、先の図６に示した処理に対応する処理については、便宜上同一のステップ番号を付している。
【００９４】
ステップＳ１０において尿素水の添加処理を行う領域であると判断された場合には、ステップＳ３０に進み、尿素水添加量を算出するとともに、算出された量の尿素水を添加する。
【００９５】
続くステップＳ１４において加速時でないと判断された場合には、ステップＳ１６に進み、排気温センサ２６の検出値に基づく排気温度Ｔが所定温度Ｔ１以下であるか否かを判断する。ステップＳ１６において排気温度Ｔが所定温度Ｔ１以下であると判断された場合には、ステップＳ３２に進み、尿素水を希釈すべく希釈用水溶液の添加量を算出する。ここで、上記所定温度Ｔ１や希釈用水溶液添加量は、先の図６に示したステップＳ２０の処理と同様の手法で設定、算出すればよい。
【００９６】
続くステップＳ２２では、排気温度Ｔが上記所定温度Ｔ１よりも低い温度である所定温度Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）以上であるか否かを判断する。
【００９７】
ステップＳ２２において排気温度Ｔが上記所定温度Ｔ２以上であると判断された場合には、ステップＳ３４へ進み、上記ステップＳ３２の処理で算出された量の希釈用水溶液を水溶液添加弁５２から添加する。
【００９８】
一方、上記ステップＳ２２において否定判断された場合には、ステップＳ３６に進み、希釈用水溶液添加量を減量補正する処理を行う。この処理は、先の図６に示したステップ２６の処理と対応する処理である。ステップＳ３６の処理の完了後、上記ステップＳ３４に進み、上記減量された希釈用水溶液を水溶液添加弁５２から添加する。
【００９９】
上記ステップＳ１４において加速時であると判断される場合には、ステップＳ３８に進み、加速時における希釈用水溶液添加制御（加速時希釈用水溶液添加制御）を行う。この処理は、先の図６に示したステップＳ２８の処理に対応する処理である。ここで、希釈用水溶液添加量は、先の図６に示したステップＳ２０と同様の手法で算出すればよい。また、加速時希釈用水溶液添加制御は、先の図６に示したステップＳ２８と同様に、尿素水を希釈することでＮＯｘ浄化率の向上が見込める排気温度域で行われるのが望ましい。
【０１００】
なお、上記ステップＳ１０、Ｓ１６で否定判断された場合や、ステップＳ３４，Ｓ３８の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。
【０１０１】
このように、本実施形態では、尿素水添加弁２５に加えて水溶液添加弁５２を備えることで、先の図１に示したように、上記デッドボリュームに残留する希釈尿素水の影響を受けることがないため、尿素水の希釈比を高精度に調節することができ、ひいてはＮＯｘ浄化率をいっそう向上させることができる。
【０１０２】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、先の第２の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【０１０３】
本実施形態では、希釈用水溶液添加制御を行う以前に、ディーゼル機関１０の燃焼制御によって排気通路１８に排出される排気中の水分量を増大させることで、ＮＯｘ浄化率の向上を図る。
【０１０４】
ここではまず、上記燃焼制御を行ううえで利用されるアクチュエータについて説明する。図１０は、本実施形態にかかる燃焼制御システム及び排気浄化システムである。なお、図１０において、先の図８に示した部材と同一又は対応する部材については、便宜上同一の符号を示している。
【０１０５】
図示されるように、ディーゼル機関１０の吸気通路５４の上流には、吸気量を検出するエアフローメータ５８が設けられている。エアフローメータ５８の下流には、過給機（ターボチャージャ６０）が設けられている。詳しくは、ターボチャージャ６０は、排気通路１８を流れる排気のエネルギを利用することで吸気通路５４を流れる吸気を圧縮し、過給する。ここで、ターボチャージャ６０は、ベーンアクチュエータ６１の駆動によってターボチャージャ６０の有する可変ベーンの開度が調節されることで、過給圧が調節可能なものを想定している。
【０１０６】
ターボチャージャ６０によって過給された吸気は、インタークーラ６２によって冷却された後、吸気通路５４の下流側に供給される。この吸気は、吸気通路５４の流路面積を調節するスロットルバルブ６４やディーゼル機関１０の燃焼室６６及び吸気通路５４間を開閉する吸気バルブ６８を介して、燃焼室６６に供給される。
【０１０７】
燃焼室６６に供給された吸気（新気）は、燃焼室６６に先端部が突出する燃料噴射弁７０によって噴射された高圧(例えば「数十〜２００ＭＰａ」)の燃料とともに圧縮され、燃焼に供される。
【０１０８】
燃焼室６６において燃焼に供された吸気及び燃料は、排気バルブ７２の開動作に伴って、排気として排気通路１８に排出される。排気通路１８のうち、ターボチャージャ６０の上流は、排気還流通路７４を介して吸気通路５４のスロットルバルブ６４下流に接続されている。排気還流通路７４には、同通路の流路面積を調節する排気還流バルブ（ＥＧＲバルブ７６）が設けられている。ＥＧＲバルブ７６の開度に応じて、排気通路１８に排出された排気の一部が、ＥＧＲクーラ７８によって冷却された後に、吸気通路５４に供給される。ちなみに、吸気通路５４において、排気還流通路７４の接続部の下流には、吸気通路５４を流れる吸気の圧力（吸気圧）を検出する吸気圧センサ７９が設けられている。
【０１０９】
ＥＣＵ４６は、エアフローメータ５８や吸気圧センサ７９の検出信号等をも逐次入力し、これらに基づきディーゼル機関１０の排気特性に加えて、排気還流通路７４を介して吸気通路５４に供給される排気量（ＥＧＲ量）、ターボチャージャ６０により過給される吸気の過給圧及び燃料噴射弁７０からの燃料噴射量を制御する。詳しくは、ＥＣＵ４６は、燃焼室６６内に供給される吸気量とＥＧＲ量との割合（ＥＧＲ率）を機関運転状態に応じた適切な割合に制御すべくＥＧＲバルブ７６を操作したり、吸気圧センサ７９の検出値に基づき算出された吸気圧を機関運転状態に応じた適切な過給圧に制御すべくベーンアクチュエータ６１を操作したりする。
【０１１０】
図１１に、本実施形態にかかるＮＯｘ浄化処理の手順を示す。この処理は、ＥＣＵ４６によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図１１において、先の図９に示した処理に対応する処理については、便宜上同一のステップ番号を付している。
【０１１１】
この一連の処理では、ステップＳ１４において加速時でないと判断されると、ステップＳ４０に進み、排気温度Ｔの推定処理を行う。ここで、本実施形態では、次の（ア）〜（エ）のパラメータに基づき排気温度Ｔを推定する。
【０１１２】
（ア）機関回転速度：機関回転速度が上昇すると排気温度Ｔが上昇するため、機関回転速度は、排気温度Ｔと相関を有するパラメータである。
【０１１３】
（イ）燃料噴射量：燃料噴射量が増大すると排気温度Ｔが上昇するため、燃料噴射量は、排気温度Ｔと相関を有するパラメータである。
【０１１４】
（ウ）吸気量及びＥＧＲ率：吸気量が増大すると燃焼室６６に供給される吸気の充填量が増大するため、単位燃料当たりの吸気量が増大し、排気温度Ｔが低下する。また、ＥＧＲ率が上昇すると、燃焼室６６には吸気とともに不活性ガス（ＣＯ２）を多く含む排気が供給され、燃焼室６６に供給される気体のうち吸気の充填量（実質的な吸気量）が減少する。これにより、単位燃料当たりの吸気量が減少し、排気温度Ｔが上昇する。このため、吸気量及びＥＧＲ率は、排気温度Ｔと相関を有するパラメータである。ここで、吸気量は、エアフローメータ５８の検出値に基づき算出すればよい。
【０１１５】
（エ）過給圧：過給圧が上昇すると燃焼室６６に供給される吸気の充填量が増大するため、単位燃料当たりの吸気量が増大し、排気温度Ｔが低下する。このため、過給圧は、排気温度Ｔと相関を有するパラメータである。
【０１１６】
具体的には、例えば、機関回転速度及び燃料噴射量と排気温度Ｔとの関係を定めるマップに基づき排気温度Ｔを算出し、これを吸気量及びＥＧＲ率や過給圧に応じて補正することで最終的な排気温度Ｔを算出すればよい。また、これに代えて、上記５つのパラメータと排気温度Ｔとの関係を定めるマップを用いて排気温度Ｔを算出してもよい。
【０１１７】
ステップＳ４０の処理の完了後、ステップＳ１６に進み、上記ステップＳ４０の処理で推定された排気温度Ｔが所定温度Ｔ１以下であるか否かを判断する。
【０１１８】
ステップＳ１６において排気温度Ｔが所定温度Ｔ１以下であると判断された場合には、ステップＳ４２に進み、排気通路１８に排出される排気中の水分量の調節制御を行う。この処理は、希釈用水溶液添加制御を行う以前に、ディーゼル機関１０の燃焼制御によって排気中の水分濃度を上昇させるためのものである。具体的にはまず、燃料噴射量に基づき排気中の水分量を推定したり、燃料噴射量や吸気量、ＥＧＲ率等に基づき排気中の水分濃度を推定したりする処理を行う。次に、推定された排気中の水分濃度が所定濃度以上となるように燃料噴射弁７０、ＥＧＲバルブ７６、ベーンアクチュエータ６１を操作する。ここで、燃料噴射量を増大させると、燃焼によって生成される水分量が増大することに起因して排気中の水分量が増大し、水分濃度が上昇する。また、ＥＧＲバルブ７６の開度を増大することでＥＧＲ率を上昇させると、燃焼室６６から排気通路１８に排出される排気の量と燃焼室６６に供給される気体（吸気、排気）の量とは略等しいため、燃焼室６６に供給される気体のうち吸気の割合が減少することに起因して、排気中の水分濃度が上昇する。また、ベーンアクチュエータ６１を操作することでターボチャージャ６０により過給される吸気の過給圧を低下させると、燃焼室６６に供給される吸気量が減少することに起因して、排気中の水分濃度が上昇する。
【０１１９】
ステップＳ４２の処理の完了後、ステップＳ４４に進み、ＮＯｘ浄化率が所定値β以下であるか否かを判断する。この処理は、排気通路１８に排出される排気中の水分量の調節制御を行うことで、希釈水溶液添加制御の実施が不要になるか否かを判断するためのものである。ちなみに、上記所定値βは、仮に希釈用水溶液添加制御を行う場合に想定されるＮＯｘ浄化率に基づき設定すればよい。
【０１２０】
ステップＳ４４においてＮＯｘ浄化率が所定値β以下と判断された場合には、ステップＳ３２に進み、希釈用水溶液添加量の算出処理を行う。ちなみに、希釈用水溶液の添加量は、上記ステップＳ４２の処理である排気中水分量調節制御によって増大した排気中の水分量を加味して算出してもよい。
【０１２１】
このように、本実施形態では、希釈用水溶液添加制御を行う以前に、ディーゼル機関１０の燃焼制御によって排気中の水分濃度を上昇させることで、希釈用水溶液の使用を極力抑制することができ、ひいては希釈用水溶液の補充頻度を低減することができる。
【０１２２】
（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【０１２３】
・上記第１の実施形態では、尿素水を希釈する希釈用水溶液として凍結防止用の添加剤を添加した水溶液を用いたがこれに限らない。例えば上記添加剤を添加しない水でもよい。
【０１２４】
・上記第１の実施形態では、濃度が３２．５％の尿素水を用いたがこれに限らない。例えば任意の濃度の尿素水を用いてもよい。この場合、尿素の添加量と水の添加量との割合を尿素水の加水分解反応を促進させて且つ尿素ＳＣＲ２２の顕著な温度低下を招かない最適な割合に設定すればよい。
【０１２５】
・上記第１の実施形態では、ＮＯｘ排出量に基づき尿素水添加量を算出したがこれに限らない。例えば排気中のＮＯｘ濃度や尿素ＳＣＲ２２におけるＮＯｘ浄化率に基づき尿素水添加量を算出してもよい。また例えば、尿素ＳＣＲ２２におけるアンモニア吸着量を推定する手段を有し、この推定される吸着量に基づき尿素水添加量を算出してもよい。
【０１２６】
・上記第３の実施形態では、排気通路１８に排出される排気中の水分量を調節する手段として燃料噴射弁７０、ＥＧＲバルブ７６及びベーンアクチュエータ６１を用いたがこれに限らない。例えば、燃料噴射弁７０、ＥＧＲバルブ７６、アクチュエータ６１のうち少なくとも１つ以上を用いてもよい。
【０１２７】
・上記第３の実施形態では、排気還流通路７４を介して排気の一部を吸気通路５４に供給することで排気還流制御（外部ＥＧＲ制御）を実施したがこれに限らない。例えば、ディーゼル機関１０の吸気行程において排気バルブ７２を開弁することによって内部ＥＧＲ制御を実施してもよい。
【０１２８】
・上記第３の実施形態では、排気通路１８に排出される排気中の水分濃度が所定濃度以上となるように燃料噴射弁７０、ＥＧＲバルブ７６、ベーンアクチュエータ６１を操作したがこれに限らない。例えば上記排気中の水分量が所定量以上となるように、燃料噴射弁７０を操作してもよい。この際、燃料噴射量を調節することで、ディーゼル機関１０の発生トルクが要求トルクからずれるおそれがある。このため、このような事態を回避すべく、燃料噴射量を調節する際に、他の燃焼制御に関するパラメータ（燃料噴射タイミング等）を調節することが望ましい。
【０１２９】
・排気中の水分量に関する情報を取得する手段としては、排気中の水分濃度（水分量）を推定する手段に限らない。例えば排気中の水分濃度（水分量）を直接検出する手段であってもよい。
【０１３０】
・上記第３の実施形態では、尿素水を希釈するための水溶液添加弁５２を備える構成としたがこれに限らない。例えば、先の図１で示したように希釈尿素水を添加する尿素水添加弁２５のみを備える構成であってもよい。この場合、希釈尿素水を尿素水添加弁２５から添加する以前にディーゼル機関１０の燃焼制御によって排気通路１８に排出される排気中の水分量を調節すればよい。
【０１３１】
・上記第３の実施形態において、ディーゼル機関１０の燃焼制御によって排気通路１８に排出される排気中の水分量の調節制御を行う場合としては加速時であってもよい。
【０１３２】
・クランク軸１２に接続される有段変速装置としては、ＭＴ１４に限らず、オートマチックトランスミッション（ＡＴ）であってもよい。また、変速装置としては有段変速装置に限らず、例えば無断変速装置（ＣＶＴ）であってもよい。この場合であっても、尿素水添加量が増加する加速時において、希釈尿素水を用いることで、ＮＯｘ浄化率を向上させることができると考えられるため、尿素ＳＣＲ２２をより小型化することなどができる。
【０１３３】
・内燃機関の排気系の温度と相関を有するパラメータとしては排気温度や、機関回転速度、燃料噴射量、吸気量、ＥＧＲ率、過給圧に限らず、例えばＮＯｘ浄化率であってもよい。また例えば尿素ＳＣＲ２２の温度を取得する手段を有し、この取得される温度であってもよい。更に、上記パラメータとして、排気温度、ＮＯｘ浄化率、尿素ＳＣＲ２２の温度、機関回転速度、燃料噴射量、吸気量、ＥＧＲ率、過給圧のうち少なくとも２つ以上を用いてもよい。
【０１３４】
・排気中の窒素酸化物を浄化する浄化手段としては、上記尿素ＳＣＲ２２に限らない。例えば、上流側の排気中に尿素水以外の還元剤が添加される選択還元型触媒としてもよい。この場合であっても、例えば還元剤の加水分解反応によって還元物質が生成される等、尿素水を還元剤として用いる場合と同様の事情がある場合には、本発明の適用が有効である。
【０１３５】
・上記各実施形態では、排気温度Ｔが所定温度Ｔ１以下となる場合と加速時との双方において希釈用水溶液を添加する処理を行ったがこれに限らない。例えば排気温度Ｔが所定温度Ｔ１以下となる場合と加速時とのいずれか一方において上記処理を行ってもよい。
【０１３６】
・希釈用水溶液を添加する処理を行う場合としては、上記各実施形態に例示したものに限らない。排気温度が低い場合には、排気中の水分量が少ない。このため、低温時において希釈尿素水の添加によりアンモニアの生成が促進されることに鑑みると、低温時におけるＮＯｘ浄化率の低下の一因が、排気通路１８に排出される水分量が減少することで尿素水からアンモニアへの加水分解反応の促進度合いが低下することであるとも考えられる。こうした観点からすれば、上記各実施形態におけるステップＳ１６の処理は、ディーゼル機関１０から排気通路１８に排出される排気中の水分量が所定量以下であるか否かを判断する判断手段とみなすこともできる。ここで、上記排気中の水分量が所定量以下である場合とは、排気温度が低い場合、すなわちディーゼル機関１０の要求トルクが低い場合（低負荷）であることをいう。このため、一般に、ディーゼル機関１０から排気通路１８に排出される排気中の水分量が少ないと判断される場合に尿素水の希釈制御を行うことで、ＮＯｘ浄化率を向上させることができると考えられる。したがって、一般に、ディーゼル機関１０から排気通路１８に排出される排気中の水分量を推定する手段や検出する手段（水分量に関する情報を取得する手段：水分量取得手段）を有し、同手段の出力値に基づき排気中の水分量が所定量であると判断された場合、上記処理を行うことは有効であると考えられる。
【０１３７】
更に、尿素水添加制御の実行時において、常時尿素水の希釈制御を行ってもよい。この場合であっても、少なくとも上記各実施形態の効果を奏することはできると考えられる。
【０１３８】
・希釈用水溶液を添加する処理を行う状況としては、ＮＯｘ排出量の増大が顕著となる場合としての加速時に限らない。例えば、排気温度を上昇させることでＤＰＦに捕捉されたＰＭを燃焼除去する時（ＤＰＦ再生時）に行ってもよい。これは、ＤＰＦ再生時において、排気温度の昇温制御が行われることに起因してＮＯｘ排出量の増大が顕著となり得ることに基づくものである。
【０１３９】
また、排気通路１８にＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＬＮＴ：Lean NOx Trap）を備えるものにあっては、ＬＮＴに吸蔵されたＮＯｘを還元除去する時（ＬＮＴ再生時）に行ってもよい。これは、ＬＮＴ再生時において、ディーゼル機関１０に燃料が過剰供給されることに起因してＮＯｘ排出量の増大が顕著となり得ることに基づくものである。
【０１４０】
・内燃機関としては、ディーゼル機関のような圧縮着火式内燃機関に限らない。例えば筒内噴射式ガソリン機関等の火花点火式内燃機関にあっても、ＮＯｘの浄化に選択還元型触媒を用いる場合には、本発明の適用が有効である。
【符号の説明】
【０１４１】
１０…ディーゼル機関、１２…クランク軸、１４…有段変速装置（ＭＴ）、１８…排気通路、２２…尿素ＳＣＲ（浄化手段の一実施形態）、２４…上流側ＮＯｘセンサ、２５…尿素水添加弁、２６…排気温センサ、２８…下流側ＮＯｘセンサ、３２…尿素水タンク、４０…水溶液タンク、４６…ＥＣＵ（排気浄化制御装置の一実施形態）、５２…水溶液添加弁、６０…ターボチャージャ、７０…燃料噴射弁、７４…排気還流通路、７６…ＥＧＲバルブ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010190103.tif 000009
【図８】
2010190103.tif 000010
【図９】
2010190103.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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